鈉電池產(chǎn)業(yè)情況說明分析

鈉電池產(chǎn)業(yè)情況說明

十三五期間，科技部通過國家重點(diǎn)研發(fā)計劃智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點(diǎn)專項，對電池儲能相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)部署。其中，鈉基儲能電池技術(shù)作為重點(diǎn)支持方向之一，在高安全長壽命和低成本鈉基儲能電池的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究等項目系列成果推動下進(jìn)步顯著。鈉離子電池，是一種二次電池，主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動來工作，與鋰離子電池工作原理相似。隨著我國新能源汽車呈現(xiàn)持續(xù)高速增長趨勢，對鋰離子電池需求較大，然而我國鋰資源十分有限，必然會出現(xiàn)鋰鹽供不應(yīng)求的局面。為此，我國將大力發(fā)展在資源和成本上都更有優(yōu)勢的鈉離子電池，通過頒布多項政策來推動鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在2022年發(fā)布的《十四五可再生能源發(fā)展規(guī)劃》中，提出加強(qiáng)可再生能源前沿技術(shù)和核心技術(shù)裝備攻關(guān)。研發(fā)儲備鈉離子電池、液態(tài)金屬電池、固態(tài)鋰離子電池、金屬空氣電池、鋰硫電池等高能量密度儲能技術(shù)。在2021年發(fā)布的《關(guān)于在我國大力發(fā)展鈉離子電池的提案》中，提到鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池作為推動新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的壓艙石，是支撐新能源在電力、交通、工業(yè)、通信、建筑等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵支撐之一。鋰鈉同族，化學(xué)性質(zhì)接近鈉元素和鋰元素為同主族元素，具有某些相似的化學(xué)性質(zhì)。鈉離子電池的架構(gòu)、封裝工藝與鋰電池高度相似，生產(chǎn)鋰電池的工廠不必經(jīng)過大的改動就能直接進(jìn)行鈉電池生產(chǎn)。鈉電池有望向上制衡鋰電、向下蠶食鉛酸。鈉電池一方面與鉛酸電池相比，在循環(huán)、成本、能量密度等方面都具有較為明顯的優(yōu)勢，有望向下蠶食鉛酸市場；另一方面，因整體性能與鋰電池接近、成本優(yōu)勢顯著，有望向上制衡鋰電池應(yīng)用的壟斷性。液流電池應(yīng)用局限性較大，難以作為鋰電池的平替。電化學(xué)儲能技術(shù)主要分為鋰離子電池、鉛酸電池、鈉離子電池、液流電池和鈉硫電池等類別。自2022年6月29日國家能源局在《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點(diǎn)要求（2022年版）（征求意見稿）》中提出中大型電化學(xué)儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池之后，液流電池的關(guān)注度上升，但該類電池初始投資成本高、占地面積大，液流電池在動力電池和便攜式儲能領(lǐng)域應(yīng)用價值較低，并不能夠作為制衡鋰電池的PlanB。關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見2017年10月11日，《關(guān)于促進(jìn)儲能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》（簡稱《指導(dǎo)意見》）正式發(fā)布?！吨笇?dǎo)意見》是我國大規(guī)模儲能技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的首個指導(dǎo)性政策，由國家能源局科技司牽頭，電力司、新能源司、市場監(jiān)管司參加的起草工作小組和20位專家組成的專家咨詢組，委托中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟牽頭，中科院工程熱物理所、中科院物理所、中國電科院、清華大學(xué)等具體負(fù)責(zé)相關(guān)研究工作。隨著《指導(dǎo)意見》的頒發(fā)與落實，以及儲能技術(shù)的迅猛發(fā)展、成本不斷下降、電力市場改革的推進(jìn)，儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用未來的前景無疑將越來越廣闊。《指導(dǎo)意見》從促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體要求、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施三個方面提出了指導(dǎo)性意見，為全面促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了政策依據(jù)。《指導(dǎo)意見》還指出，近年來，我國儲能呈現(xiàn)多元發(fā)展的良好態(tài)勢：抽水蓄能發(fā)展迅速；壓縮空氣儲能、飛輪儲能，超導(dǎo)儲能和超級電容，鉛蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等儲能技術(shù)研發(fā)應(yīng)用加速；儲熱、儲冷、儲氫技術(shù)也取得了一定進(jìn)展。我國儲能技術(shù)總體上已經(jīng)初步具備了產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。加快儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對于構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系，推進(jìn)我國能源行業(yè)供給側(cè)改革、推動能源生產(chǎn)和利用方式變革具有重要戰(zhàn)略意義，同時還將帶動從材料制備到系統(tǒng)集成全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，成為提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的新動能。國家政策的支持將快速推動鈉離子電池的發(fā)展鈉離子電池，是一種二次電池，主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動來工作，與鋰離子電池工作原理相似。隨著我國新能源汽車呈現(xiàn)持續(xù)高速增長趨勢，對鋰離子電池需求較大，然而我國鋰資源十分有限，必然會出現(xiàn)鋰鹽供不應(yīng)求的局面。為此，我國將大力發(fā)展在資源和成本上都更有優(yōu)勢的鈉離子電池，通過頒布多項政策來推動鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在2022年發(fā)布的《十四五可再生能源發(fā)展規(guī)劃》中，提出加強(qiáng)可再生能源前沿技術(shù)和核心技術(shù)裝備攻關(guān)。研發(fā)儲備鈉離子電池、液態(tài)金屬電池、固態(tài)鋰離子電池、金屬空氣電池、鋰硫電池等高能量密度儲能技術(shù)。在2021年發(fā)布的《關(guān)于在我國大力發(fā)展鈉離子電池的提案》中，提到鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池作為推動新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的壓艙石，是支撐新能源在電力、交通、工業(yè)、通信、建筑等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵支撐之一。鈉電池市場空間：四輪車-2025年有望達(dá)到48．45GWh鈉電池有機(jī)會滲透的動力電池市場主要包括A00級、A0級以及A級三種電動車。具體來看，鈉電池可以滿足續(xù)航里程在400公里以下的新能源汽車車型的基本需求，400公里以下的新能源汽車車型主要包括A00和A0級別電動車車型，未來鈉電池能滿足的續(xù)航里程有望進(jìn)一步提升至500公里，能夠覆蓋的車型則將進(jìn)一步延伸至A型級別電動車。由于上游原材料尤其是鋰價的持續(xù)高位，電動車領(lǐng)域受到持續(xù)性沖擊。鈉離子電池憑借成本優(yōu)勢，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度提高后，有望切入A00級、A0級以及A級電動車領(lǐng)域。預(yù)計2023-2025年鈉電池在A00級、A0級以及A級電動車市場的滲透率將逐年升高，2025年分別達(dá)到30%、20%、15%，2025年對鈉離子電池需求總量有望達(dá)到48．45Gwh。鈉電池負(fù)極材料-軟碳：儲鈉比容量較低，中科院無煙煤技術(shù)賦予軟碳負(fù)極新前景軟碳成本低、產(chǎn)碳率高、電子傳導(dǎo)性好，但較低的可逆容量嚴(yán)重制約了其在鈉離子電池中的應(yīng)用。制備軟碳材料的前驅(qū)體主要包括石油化工原料及其下游產(chǎn)品，如煤、瀝青、石油焦等，原料成本較為低廉。相比于硬碳，軟碳中富含的sp2碳導(dǎo)致更高的電子導(dǎo)電性和倍率性能，但是直接碳化的軟碳材料在鈉離子電池中表現(xiàn)出較低的可逆容量，儲鈉容量較低，而且沒有儲鈉平臺，限制了其實用性。近期研究表明，通過制備納米結(jié)構(gòu)、設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)來有利于鈉離子的快速傳輸；異相原子摻雜來增加其層間距、提高電導(dǎo)率和缺陷數(shù)量；預(yù)氧化策略可以有效抑制其石墨化，促進(jìn)無序結(jié)構(gòu)的形成，從而有效提升儲鈉容量。這些方法均為改性軟碳材料以提升其儲鈉容量提供了理論基礎(chǔ)。中科院無煙煤技術(shù)賦予軟碳負(fù)極新前景。中科院物理所采用其作為前驅(qū)體，得到一種新型軟碳材料。不同于來自于瀝青的軟碳材料，其在1600°C以下仍具有較高的無序度，產(chǎn)碳率高達(dá)90%，儲鈉容量達(dá)到220mAh/g，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異，最重要的是在所有的碳基負(fù)極材料中具有最高的性價比。以其作為負(fù)極和Cu基層狀氧化物作為正極制作的軟包電池的能量密度達(dá)到100Wh/kg，在1C充放電倍率下容量保持率為80%。未來隨著更多研究成果的出現(xiàn)和低成本的驅(qū)動，如果能以低成本軟碳為前驅(qū)體，成功制備出高性能的碳負(fù)極材料，將進(jìn)一步促進(jìn)鈉離子電池的發(fā)展，屆時軟碳或?qū)⒃阝c電負(fù)極市場分得更大份額。鈉離子電池在資源豐富度、成本等方面具有優(yōu)勢鈉離子電池與鋰離子電池?fù)u椅式工作原理類似，主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。近幾年，鈉離子電池開始逐步進(jìn)入規(guī)模化試驗示范階段。2018年6月，首輛鈉離子電池低速電動車問世；2021年6月，中科海鈉發(fā)布世界首個1MWh鈉離子電池儲能系統(tǒng)。這意味著，繼鉛蓄電池、鋰離子電池等電化學(xué)儲能體系后，鈉離子電池開始在儲能領(lǐng)域嶄露頭角，有望推動新能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和變革。鈉離子電池在資源豐富度、成本等方面具有一定優(yōu)勢。一是鈉元素儲備更豐富，鈉是地殼中儲量第六豐富的元素，地理分布均勻，成本低廉；而鋰資源在地殼中儲量僅為0．002%，不到鈉的千分之一，且全球分布具有地域性。二是鈉離子化合物可獲取性強(qiáng)，價格穩(wěn)定且低廉。此外，在低電壓下鋁不會和鈉合金化，因此鈉離子電池負(fù)極可使用鋁集流體而不必像鋰電池使用銅集流體，從而降低電池的成本和重量。三是鈉元素和鋰元素有相似的物理化學(xué)特性及儲存機(jī)制，鈉離子電池有相對穩(wěn)定的電化學(xué)性能和安全性。另一方面，目前鈉離子電池在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中尚存在能量密度較低、循環(huán)壽命較短、配套供應(yīng)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈不完善等問題，仍處于商業(yè)化探索和持續(xù)改進(jìn)中。預(yù)計未來隨著產(chǎn)業(yè)投入的加大，技術(shù)走向成熟、產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，高性價比的鈉離子電池有望成為鋰離子電池的重要補(bǔ)充，尤其是在固定式儲能領(lǐng)域?qū)⒕哂辛己冒l(fā)展前景。鈉電池合成端-能量密度與循環(huán)性能是目前局限，產(chǎn)品快速迭代過程中雖然鈉元素在元素周期表內(nèi)是僅次于鋰的堿金屬元素，理化性質(zhì)相似，但較大的離子質(zhì)量和離子半徑造成鈉離子電池的體積和質(zhì)量能量密度僅為鋰離子電池的一半左右。目前鈉離子電池的能量密度大約為100-150Wh/kg，而鋰離子電池中，三元鋰電池能量密度較高，約為250Wh/kg左右，磷酸鐵鋰電池的能量密度偏低，但也有180Wh/kg左右，鈉電總體能量密度低于鋰電，仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。持續(xù)研發(fā)靜待技術(shù)突破，提升鈉電性能。鈉離子電池正極材料的快速發(fā)展，有助于提升電池理論容量和動力學(xué)性能；而負(fù)極和電解液技術(shù)的進(jìn)步有助于解決電池電解液易燃、負(fù)極處鈉枝晶生長易導(dǎo)致短路等影響安全性的問題。目前針對鈉電能量密度問題，寧德時代開發(fā)了AB電池系統(tǒng)解決方案，即鈉電池與鋰電池兩種電池按一定比例進(jìn)行混搭，集成到同一個電池系統(tǒng)里，通過BMS精準(zhǔn)算法進(jìn)行不同電池體系的均衡控制。這一方案雖彌補(bǔ)了鈉電池在現(xiàn)階段的能量密度短板，但仍需持續(xù)研發(fā)改進(jìn)能量密度，才能真正打破鋰電池競爭格局。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升，鈉離子電池未來發(fā)展前景廣闊1、鈉離子電池生產(chǎn)技術(shù)不斷成熟，規(guī)模量產(chǎn)有望實現(xiàn)由于鈉離子電池的結(jié)構(gòu)和工作原理基本與鋰離子電池相同，因此，鈉離子電池可以借鑒鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗，極大的簡化鈉離子電池的生產(chǎn)工序。但是由于鈉離子半徑要比鋰離子大70%，導(dǎo)致鈉離子電池能量密度不足，為此，相關(guān)企業(yè)紛紛加大研發(fā)投入力度，鈉離子電池應(yīng)用的關(guān)鍵問題被逐漸攻克，前期制約鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的正負(fù)極材料均已實現(xiàn)技術(shù)突破，層狀氧化物正極+碳基負(fù)極+有機(jī)電解液體系的鈉離子電池即將邁入到商業(yè)化階段，有望實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。同時，鈉離子電池的原材料成本相對于鋰離子電池具有天然的優(yōu)勢，尤其是在碳酸鋰價格處于高位的情況更為顯著，鋰離子電池成本居高不下將推動鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加速。2、鈉離子電池前景廣闊，跨界企業(yè)加速布局目前，我國鋰離子電池受原材料影響價格猛漲，相關(guān)企業(yè)成本增加導(dǎo)致盈利減少，為此，鋰電池相關(guān)企業(yè)選擇性價比較高的鈉離子電池來替代鋰離子電池發(fā)展。在資源方面，我國鈉資源儲量豐富，分布廣泛，與鋰資源相比能很好的減少對國外資源的需求。在價格方面，由于鈉離子電池正極用銅鐵錳，負(fù)極用無煙煤做的碳，整體